JP2002299938A - 飛行体用レドーム - Google Patents
飛行体用レドームInfo
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Abstract
優れた高性能の飛行体用レドームを提供する。 【解決手段】 曲率の小さな単層又は複数層の曲面サン
ドイッチ構造体になされ、コアがポリエーテル発泡材よ
り成り、コアの両面を狹んでいる面板がシアネート樹脂
のFRPより成る飛行体用レドーム。上記コアのポリエ
ーテルイミド発泡材は密度50kg/m3〜80kg/
m3であることが好ましく、上記面板はシアネート樹脂
を重量比で30%〜60%含有したプリプレグで製造し
たFRP面板であることが好ましく、このシアネート樹
脂のFRP面板における強化繊維はガラス繊維又は石英
繊維であることが好ましい。また、シアネート樹脂のF
RPより成る面板の板厚とポリエーテルイミド発泡材よ
り成るコアの板厚は、レーダー電波の放射方向において
同一になされていることが好ましい。さらに飛行体用レ
ドームの外壁面に、10μm〜150μmの耐エロージ
ョン塗装が施されていることが好ましい。
Description
の飛行体に使用するレドームに関する。
や情報交換のための地上や衛星との電波のやり取りや対
物走査のためのレーダー等の電波の送受信システムを必
要とする。一般的に図10に示すようにそれらの電波送
受信システム20は、外部との電波21の送受信を行う
ために機体の表面に設置されることから、電波送受信シ
ステム20を厳しい飛行環境から保護するレドーム22
が必要となる。図11に一般的な航空機に設置されるレ
ドームの代表的な位置を示す。レドームは主に電波の送
受信方向により、鼻部23、背部24、腹部25および
尾部26等に設置される。また、設置場所の制約や機体
の影響を受け難くするために、できる限り離れた端部に
設置したいとの要求から、主翼、尾翼等の翼端27に設
置されることもあり、その場合には翼端27内に電波送
受信システムが埋め込まれ、翼端27の壁面自身がレド
ームとして使用される場合もある。いずれの場合のレド
ームにしても、航空機の部品であることから軽量である
ことの要求のほかに、電波送受信システムを厳しい飛行
環境から保護するために、電波特性としては電波透過率
に優れること、機械的な特性としては空力的な荷重や異
物の衝突荷重に耐える強度特性、温度変化や湿潤環境に
対する耐候性や雨滴や塵等との高速衝突に耐えるエロー
ジョン特性が求められる。
量かつ高強度であるために、ハニカムコアと繊維強化プ
ラスチック(FRP)面板からなるサンドイッチ構造体
が多用されている。特にレドームでは、主に電波特性の
要求から図12に示すようにガラス繊維FRP製のハニ
カムコア28と、ガラス繊維強化エポキシ樹脂製面板2
9からなるサンドイッチ構造体30が一般に採用されて
いる。また、適用場所や形状により雨滴等による表面損
傷が起こると予想される鼻部等のレドームに対しては、
300μm〜400μmといった非常に厚い主にウレタ
ン製の耐エロージョン塗装31が施されている。この耐
エロージョン塗装31は、施工中のふくれ防止とその膜
厚を確保するために、薄塗り→乾燥の工程を20回程度
繰り返すことが必要であり、非常に手間のかかる作業で
ある。
ームには、地上と成層圏を往復する間に大きな環境変化
(1気圧、プラス40℃から1/10気圧、マイナス5
4℃)を伴う長期運用により、下記の問題があることが
判ってきた。 運用中の吸湿によりガラス繊維強化エポキシ樹脂製
面板29の強度が劣化する。 耐エロージョン塗装31や面板29での微細な割れ
の発生により、ハニカムコア28内に湿気を含む空気が
侵入し、その水分の結露→凝固→結露の悪循環により、
ハニカムコア28内が徐々に浸水する。の問題点につ
いては、予めこの強度劣化を見込んだ上で設計する必要
があるため、バージン強度を確保する場合、厚板構造と
する必要があり、重量とコストの点で不利である。ま
た、の問題は、特に航空機性能を劣化させる重量増加
やレーダー特性を劣化させる電波透過性の劣化等を引き
起こし、最終的には浸水の凍結によるハニカムコア28
と面板29の剥離を生じ、飛行安全性が損なわれること
から、航空機を運航するユーザーにとっても大きな問題
となっている。従って、定期点検にて検出されるハニ
カムコア28内の浸水はセル毎に、面板29の穴明け→
水抜き→穴ふさぎといった非常に手間のかかる補修を必
要とするとともに、補修個所は板厚や重量増となるた
めに補修によりレドームとしての本来の特性を取り戻す
ことは原理的に不可能である。
カムコア28を用いたサンドイッチ構造体30では、下
記の問題点があり、理想的なレドームを製作することは
不可能であった。 膜厚大(300μm〜400μm)のウレタン製の
耐エロージョン塗装31の電波透過性は極めて悪く、電
波送受信システム全体の感度を低下させる大きな原因と
なっている。 ガラス繊維強化エポキシ樹脂製のハニカムコア28
について、厚み方向の機械加工が困難であることと、ハ
ニカムコア28のセル壁の影響により電波特性に異方性
があることから、レドーム壁面全体の電波透過率を一定
にすることができなかった。 特に数GHzから40GHzといった高周波領域を
含む広帯域用のレドームの場合には図13に示すように
ハニカムコア28と面板29を複数層化することが原理
的に有効であること(=各層間の電波の透過・反射を利
用して適した周波数帯を広げること)が知られている
が、ハニカムコア28の場合には、異層に配置されるハ
ニカムのセル(=ガラス繊維強化エポキシ樹脂壁面)の
位置が規則性無くずれることから、複数層からなるレド
ームを実現することは不可能であった。 航空機の背部や腹部や尾部に設置するレドームの場
合、できるだけ電波透過性を稼ぐためにハニカムのセル
壁に電波が通らないようにするには、図14に示すよう
にレドーム32の壁面を機体33に対して大きい迎え角
度にて装着する必要があり、レドーム32は機体33の
飛行方向から気流34を受け、空気抵抗による運行性能
の低下(最高速度や燃費の低下)を引き起こす。 ガラス繊維強化エポキシ樹脂製のハニカムコア28
は元々成形が難しく、翼端形状のような三次元の形状で
曲率が小さな部品形状の成形加工が不可能であり、この
ような形状品にはソリッドのFRP構造体が使用されて
いるが、重量的にハンディがあるとともに、電波透過特
性も悪くなる。
の無い構造で、電波特性及び強度特性に優れた高性能の
飛行体用レドームを提供しようとするものである。
の本発明の飛行体用レドームは、曲率の小さな単層又は
複数層の曲面サンドイッチ構造体になされ、コアがポリ
エーテルイミド発泡材より成り、コアの両面を挾んでい
る面板がシアネート樹脂のFRPより成ることを特徴と
するものである。
ポリエーテルイミド発泡材は密度50kg/m3〜80
kg/m3であることが好ましく、シアネート樹脂のF
RPより成る面板はシアネート樹脂を重量比で30%〜
60%含有したプリプレグで製造したFRP面板である
ことが好ましい。
シアネート樹脂のFRPより成る面板における強化繊維
は、ガラス繊維又は石英繊維であることが好ましい。
シアネート樹脂のFRPより成る面板の板厚と、ポリエ
ーテルイミド発泡材より成るコアの板厚は、レーダー電
波の放射方向において同一になされていることが好まし
い。
外壁面に、10μm〜150μmの耐エロージョン塗装
が施されていることが好ましい。
施形態を図1によって説明すると、1は曲率の小さな単
層の曲面サンドイッチ構造体2に形成された飛行体用レ
ドームで、曲面サンドイッチ構造体2のコア3は、ポリ
エーテルイミド発泡材より成り、このコア3の両面を挾
んで一体化している面板4はシアネート樹脂のFRPよ
り成る。この飛行体用レドーム1の曲面サンドイッチ構
造体2は、ポリエーテルイミド発泡材より成るコア3の
気泡が独立気泡であることから、化学的のみならず物理
的にも内部に水が進入することがなく、従来のハニカム
コアのサンドイッチ構造体で大問題となっている浸水を
防ぐことができる。また、ポリエーテルイミド発泡材よ
り成るコア3は、従来のガラス繊維製のハニカムコアと
比較して、下記の表1に示すように航空機のレーダーシ
ステムとしてよく使われている10GHzの電波に対し
て比誘電率が数割低く、誘電損は数分の1であり、電波
特性に優れていることが判る。
ア3は、下記の表2に示すように5GHzから40GH
zといった広帯域の電波に対しても安定な比誘電率と誘
電損の値を持ち、高分解能が要求される高周波数領域を
含む広帯域においても優れた電波特性を有する。従っ
て、飛行体用レドームは性能が高いものとなる。
を図2によって説明すると、1′は曲率の小さな複数層
の曲面サンドイッチ構造体2′に形成された飛行体用レ
ドームで、曲面サンドイッチ構造体2′はポリエーテル
イミド発泡材より成るコア3と、このコア3の両面を挾
むシアネート樹脂のFRPより成る面板4が交互に配さ
れ一体化されているものである。この飛行体用レドーム
1′の複数層の曲面サンドイッチ構造体2′もポリエー
テルイミド発泡材より成るコア3の存在により前述のよ
うに浸水を防ぐことができ、また5GHzから40GH
zといった高周波数領域を含む広帯域の電波に対して安
定な比誘電率と誘電損の値を持ち、電波特性に優れてい
るので、飛行体用レドーム1′は性能が高いものとな
る。
おいて、曲面サンドイッチ構造体2,2′のコア3のポ
リエーテルイミド発泡材は、密度50kg/m3〜80
kg/m3であることが好ましい。この限定理由につい
て説明すると、下限の密度50kg/m3は、図3のポ
リエーテルイミド発泡材の密度と高温圧縮強度(200
℃)との関係を示すグラフで判るように、コアの成形時
の温度(200℃)にて成形圧力(約1kgf/c
m2)に耐えるには、50kg/m3以上の密度のコアが
必要であることから決定した。上限の密度80kg/m
3は、従来レドームに使用されているガラスFRP製の
ハニカムコアの密度が、72kg/m3〜80kg/m3
であることから、この上限の80kg/m3を超える密
度のポリエーテルイミド発泡材を使用することは、従来
材に対して重量的なメリットがなくなることから決定し
た。
1′において、曲面サンドイッチ構造体2,2′のFR
Pより成る面板4のシアネート樹脂の含有量は、重量比
で30%〜60%であることが好ましい。この限定理由
について説明すると、下限の重量比30%は、図4のシ
アネート樹脂プリプレグの樹脂含有率とFRPの繊維体
積率との関係を示すグラフで判るように、航空機用に使
われるFRPの繊維体積率が通常60vol%前後であ
ることからすると、シアネート樹脂のプリプレグにおい
ては、30wt%程度の樹脂含有率が必要となることか
ら決定した。しかも実際にはコア3の表面の気泡をシア
ネート樹脂で埋める必要があり、かつ所定の接着強度を
得るためには、この30wt%が下限の値となる。上限
の重量比60%について詳述すると、図5のaに示すよ
うにポリエーテルイミド発泡材コア3の表面に露出して
いる発泡穴5を、FRP製面板4(図1参照)となるプ
リプレグ6中のシアネート樹脂7で図5のbに示すよう
に埋める必要がある。この埋めるべきコア3の表面の穴
体積は、コア3の密度によって異なるが、気泡の直径は
約200μmであり、樹脂含有率の上限として考えるな
らば、1枚のプリプレグ6に下記の2点を満足する樹脂
を含有する必要がある。 約100μmの樹脂膜を形成できる(=ランダムに
存在する約200μmの直径の気泡を必ず埋めることが
できる)。 繊維体積率55%以上のFRP製面板を形成でき
る。そして、100μmの膜厚の樹脂膜を形成するに
は、図6のシアネート樹脂プリプレグの樹脂含有率と形
成可能な樹脂膜厚との関係を示すグラフで判るようにプ
リプレグ6中には約60wt%の樹脂含有率のシアネー
ト樹脂が必要である。
1,1′において、曲面サンドイッチ構造体2,2′の
シアネート樹脂のFRPより成る面板4における強化繊
維は、ガラス繊維又は石英繊維であることが好ましい。
シアネート樹脂のFRPより成る面板4は下記の表3で
判るように従来材料であるガラス繊維強化エポキシ樹脂
製面板に比べ室温(RTD)の強度に優れる。特に、設
計時の強度標定となる吸湿後の高温強度特性(HTW)
は非常に優れており、室温強度に対して約8割の強度を
保持する。また、シアネート樹脂のFRPより成る面板
4は、従来のガラス繊維強化エポキシ樹脂製面板に比べ
比誘電率が低く、誘電損は1/2以下であり、電波特性
に優れる。そして同じシアネート樹脂のFRPより成る
面板4でも強化繊維が石英繊維とガラス繊維によって特
性が異なり、石英繊維の方がガラス繊維よりも全般的に
特性に優れる。しかし、コストが高いために、必要とさ
れる特性とコストを吟味した上で、強化繊維を石英繊維
とガラス繊維の中から選定するとよい。
実施形態を図7によって説明すると、この飛行体用レド
ーム1″は、曲率の小さな単層の曲面サンドイッチ構造
体2″に形成され、この曲面サンドイッチ構造体2″の
シアネート樹脂のFRPより成る面板4の板厚とポリエ
ーテルイミド発泡材より成るコア3の板厚は、レーダー
電波8の放射方向において同一になされている。つま
り、レーダー電波8の作動全域にわたり飛行体用レドー
ム1″の壁内の電波透過距離Tが一定になされている。
に示されるように電波送受信システム9を厳しい飛行環
境から保護すると、飛行体用レドーム1″はレーダー電
波8の作動全域にわたり電波透過率が一定となって、電
波特性が著しく向上し、高性能なものとなる。この図7
に示す形状の飛行体用レドーム1″は、曲面サンドッチ
構造体2″のコア3が加工性に極めて優れる(カッター
にて切断可能であり、研摩紙にて仕上げ可能である)こ
とから、板厚を正確に加工することが可能で、この加工
したコア3の両面に、未硬化のシアネート樹脂のプリプ
レグ面板を配し、加熱硬化成形して接合することにより
容易に曲面サンドイッチ構造体2″とすることができる
ので、製作性に何ら問題はない。尚、曲面サンドイッチ
構造体2″は、上記の製作方法をとるので、任意の部分
の厚さを変えることができることから、電波透過性を部
分的に制御したり、レンズ効果によりレーダー電波を集
めることも可能である。
は、電波特性に優れるので、壁内の電波透過距離が長く
なっても電波特性が劣化することがないため、図8に示
すように飛行体用レドーム1を機体10の表面に対して
小さい抑え角度で装着することができる。従って、飛行
体用レドーム1の空気抵抗が少なくなり、航空機の運行
性能の向上(最高速度や燃費の向上)を実現できる。
は、前述の通り電波特性が良好であることから形状設計
が容易であり、そもそもエロージョン塗装を無くすこと
のできる部位を広げることが可能となる。また、機体形
状との取り合わせの制約のために航空機の鼻部23(図
11参照)等に設置されるため、エロージョン塗装が必
須の場合でも、根本的に浸水性がないことから、図9に
示すように飛行体用レドームの曲面サンドイッチ構造体
2,2′,2″の外側の面板4上に、膜厚10μm〜1
50μmの耐エロージョン塗装11を施すことにより、
電波特性を損なうことなくエロージョンに対して対処す
ることができる。この耐エロージョン塗装11の膜厚を
10μm〜150μmとした理由について説明すると、
下限10μmは、航空機の機体表面塗装の主な施工方法
であるスプレー塗装において、1回の処理にて塗装可能
な膜厚である。これ以上薄い膜厚を得るには特殊技術が
必要であり、航空機部品に適用する必要性はない。上限
150μmは、通常の航空機の機体表面に対して行われ
るウレタン塗装の膜厚が50μm〜150μm程度であ
り、特殊技術を必要とせず安価な標準的な手法により達
成可能な厚さである。そして、この耐エロージョン塗装
11は、航空機運行時の目視点検により塗装の損傷部の
みを補修することにより容易に原状回復でき、電波特性
を損なうことなくエロージョンに対して対処できて、レ
ドームを高性能に維持できる。
用レドームは、曲率の小さな単層又は複数層の曲面サン
ドイッチ構造体になされ、コアが電波特性に優れたポリ
エーテルイミド発泡材より成り、このコアの両面を挾ん
だ面板が強度特性に優れ且つ電波特性に優れたシアネー
ト樹脂のFRPより成るので、数GHzから40GHz
の高周波領域を含む広帯域で使用できて性能が高いもの
である。特に、コアのポリエーテルイミド発泡材の密度
を50kg/m3〜80kg/m3とし、シアネート樹脂
のFRPより成る面板のシアネート樹脂の含有量を重量
比で30%〜60%としたものにあっては、コアの電波
特性がより優れたものとなり、面板の強度特性及び電波
特性がより優れたものとなり、飛行体用レドームはより
高性能なものとなる。さらに、この飛行体用レドームに
あって、シアネート樹脂のFRPより成る面板の板厚
と、ポリエーテルイミド発泡材より成るコアの板厚を、
レーダー電波の放射方向において同一になしたものは、
電波送受信システムのレーダー電波の作動全域にわたり
電波透過率が一定となって、電波特性が著しく向上し、
極めて高性能なものとなる。また、本発明の飛行体用レ
ドームにおいて、外壁面に10μm〜150μmの耐エ
ロージョン塗装が施されたものにあっては、航空機の鼻
部等に設置されても電波特性を損なうことなくエロージ
ョンに対して対処できてレドームを高性能に維持でき
る。
図である。
す図である。
度(200℃)との関係を示すグラフである。
Pの繊維体積率との関係を示すグラフである。
ート樹脂のFRP面板となるプリプレグとのサンドイッ
チ化前の状態を示す図、bはサンドイッチ化後の状態を
示す図である。
可能な樹脂膜厚との関係を示すグラフである。
す図である。
て小さい抑え角度で装着した状体を示す図である。
ジョン塗装を施した状態を示す部分拡大図である。
係を示す図である。
的な位置を示す図である。
繊維強化エポキシ樹脂製面板からなる従来レドームのサ
ンドイッチ構造体を示す図である。
維強化エポキシ樹脂製面板による複数層のサンドイッチ
構造体を示す図である。
機体装着例を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 曲率の小さな単層又は複数層の曲面サン
ドイッチ構造体になされ、コアがポリエーテルイミド発
泡材より成り、コアの両面を挾んでいる面板がシアネー
ト樹脂のFRPより成ることを特徴とする飛行体用レド
ーム。 - 【請求項2】 ポリエーテルイミド発泡材が密度50k
g/m3〜80kg/m3であり、シアネート樹脂のFR
Pより成る面板がシアネート樹脂を重量比で30%〜6
0%含有したプリプレグで製造したFRP面板であるこ
とを特徴とする請求項1記載の飛行体用レドーム。 - 【請求項3】 シアネート樹脂のFRPより成る面板に
おける強化繊維が、ガラス繊維又は石英繊維であること
を特徴とする請求項1又は2記載の飛行体用レドーム。 - 【請求項4】 シアネート樹脂のFRPより成る面板の
板厚と、ポリエーテルイミド発泡材より成るコアの板厚
が、レーダー電波の放射方向において同一になされてい
ることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の飛
行体用レドーム。 - 【請求項5】 飛行体用レドームの外壁面に、10μm
〜150μmの耐エロージョン塗装が施されていること
を特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の飛行体用
レドーム。
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